ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02B55/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силовой установки на воздушных, водных или сухопутных транспортных средствах.

Известен роторно-лопастной двигатель с механизмом связи Кауэрца, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, а также механизм связи лопастей, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма, связанного с осью вращения роторов посредством зубчатой передачи (Г.Г. Гуськов. Необычные двигатели. М. Знание, 1971, с. 25, рис. 12). Известный двигатель отличается высокой компактностью, однако действие газовых сил и ударных нагрузок при вспышках горючей смеси воспринимается очень маленькими поверхностями контакта на зубьях шестерен, в результате чего, очень быстро появляется усталостное разрушение металла на поверхности зубьев, они начинают выкрашиваться и двигатель выходит из строя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является четырехтактный роторно-лопастной двигатель Соколова, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами, два ротора с лопастями, соосно установленными в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующими в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, вал отбора мощности, установленный соосно роторам и совмещенный с ним механизм связи лопастей [1]
Двигатель Соколова отличается простотой конструкции, т.к. содержит наименьшее количество деталей из всех известных конструкций подобного класса.

Недостатками данного двигателя являются крайне низкие надежность и долговечность, обусловленные теми же причинами, что и в двигателе с механизмом связи Кауэртца, а именно: газовые силы и ударные нагрузки воспринимаются очень маленькими площадями контактных поверхностей роликов и крестовин, реализующих механизм связи лопастей.

В силу именно этих обстоятельств на сегодняшний день не существует практически работоспособной конструкции роторно-лопастного двигателя.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности такого двигателя за счет перераспределения нагрузок, вызываемых действием газовых сил и сил инерции на кинематические сочленения механизма связи лопастей, по большим контактным площадям.

Для достижения поставленной цели в четырхтактном роторно-лопастном двигателе, содержащим корпус с впускным и выпускным окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, вал отбора мощности и совмещенный с ним механизм связи лопастей, согласно изобретению механизм связи лопастей выполнен в виде коленчатого вала, снабженного рабочими, опорными и выходными шейками и установленного эксцентрично относительно оси роторов в не менее, чем двух опорных узлах, причем каждый опорный узел выполнен с возможностью придания смежным опорным шейкам возвратно-поступательного движения в пресекающихся направлениях, а в целом коленчатому валу планетарного вращения, например, в виде крейцкопфных пар, при этом подшипники рабочих шеек связаны с лопастями роторов посредством кинематических пар, например крейцкопфов, а подшипники выходных шеек, снабженные противовесами, связаны с валом отбора мощности посредством, например, поводковых механизмов.

Параллельно коленчатому валу установлен дополнительный коленчатый вал в виде фрагмента основного вала, содержащий рабочие шейки, идентичные шейкам основного вала и охваченные подшипниками, кинематически связанными с аналогичными подшипниками основного вала.

Установка коленчатого вала с осью, эксцентричной по отношению к оси роторов, наряду с выполнением опорных узлов, обеспечивающих смежным опорным шейкам возвратно-поступательное движение в пересекающихся направлениях, например в виде крейцкопфных пар, создает коленчатому валу возможность планетарного вращения, что в сочетании с установкой подшипников рабочих шеек в ползунах крейцкопфов, связывающих шейки с лопастями, обеспечивает подшипникам смежных рабочих шеек траектории в виде пересекающихся эллипсоидов.

Такой характер движения является наиболее оптимальным с точки зрения динамического взаимодействия лопастей, поскольку в процессе равномерного вращения коленчатого вала лопасти сближаются и расходятся с периодичностью двух полных циклов за оборот выходного вала. При этом каждая пара лопастей двигается с ускорением, изменяющимся по синусоидальному закону, и в противофазе по отношению к другой паре лопастей. В любой момент времени сумма ускорений всех лопастей равна нулю, а сумма угловых скоростей роторов равна удвоенной средней скорости. Эти обстоятельства обеспечивают самые благоприятные условия для взаимодействия всех кинематических сочленений.

В качестве альтернативы крейцкопфным парам в обоих случаях могут быть использованы шатунные или другие механизмы, обеспечивающие опорным шейкам возвратно-поступательное движение.

Изложенные выше признаки, а также вытекающие из них следствия, являются прямым условиями практической работоспособности роторно-лопастного двигателя, использующего в качестве механизма связи лопастей коленчатый вал.

Установка коленчатого вала в не менее, чем двух спорных узлах, учитывая достаточно сложный характер движения вала и уровень его нагруженности, является также необходимым условием, обеспечивающим практическую работоспособность предлагаемого двигателя.

Сам факт использования коленчатого вала в качестве механизма связи лопастей открывает возможность применения качественно новых в практике создания роторно-лопастных двигателей элементов кинематических сочленений подшипников, контактная поверхность которых многократно превышает контактные площади зубчатых зацеплений и пятен контакта роликов. В результате, возникающий в момент вспышки скачок давления, воздействие которого на элементы кинематических пар носит ударный характер, воспринимается значительными поверхностями подшипников, что обеспечивает снижение удельных нагрузок на подшипники кинематических узлов до значений, не превышающих уровней, принятых в традиционном двигателестроении.

Реализация связи выходных шеек коленчатого вала с валом отбора мощности посредством поводкового механизма является одним из традиционных путей передачи крутящего момента с коленчатого вала и в настоящее время наиболее удобным для потребителя видом, хотя в ряде случаев крутящий момент может быть снят непосредственно с выходной шейки коленчатого вала. Однако применительно к конструкциям роторно-лопастных двигателей процедура снятия мощности на сегодняшний день недостаточно проработана. Введение в схему двигателя коленчатого вала в качестве механизма связи лопастей и одновременно узла, формирующего равномерный крутящий момент, требует включения упомянутой кинематической связи между выходными шейками коленчатого вала и валами отбора мощности в перечень отличительных признаков, обеспечивающих работоспособность устройства.

Использование дополнительного коленчатого вала в виде фрагмента основного вала, содержащего идентичные рабочие шейки и установленного параллельно основному валу, путем соединения ползуном охватывающих аналогичные шейки подшипников позволяет практически разгрузить опорные шейки и, соответственно, опорные узлы от действия газовых сил и сил инерции перераспределением этих сил по большим площадям контакта дополнительного коленчатого вала, оставляя опорным узлам две функции: воспринимать реакции от крутящего момента и обеспечивать синхронизацию всех вращающихся узлов двигателя.

Таким образом, перечисленные отличительные признаки в совокупности с ограничительными признаками придают заявляемому объекту новые свойства, а именно: за счет использования в качестве механизма связи лопастей коленчатого вала, установленного в специальных опорных узлах с возможностью планетарного вращения, в сочетании с кинематическим соединением, например посредством крейцкопфов, между рабочими шейками и лопастями роторов, обеспечиваются условия практической работоспособности предлагаемого роторно-лопастного двигателя при оптимальном, с точки зрения динамики процесса, характере силовых взаимодействий между кинематическими сочленениями. Сам факт осуществления связи лопастей через шейки коленчатого вала, охваченные обладающими значительной контактной поверхностью подшипниками, позволяет резко снизить удельные нагрузки, вызываемые действием газовых сил и сил инерции на узлы конструкции, что в итоге обеспечивает предлагаемому двигателю существенно более высокие надежность и долговечность.

В известных в науке и технике решениях (в объеме проведенного поиска) указанные отличительные признаки и вытекающие из них свойства не были обнаружены, что позволяет утверждать соответствие изобретения критериями новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображен разрез двигателя; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 аксонометрическая проекция представленного двигателя; на фиг. 6 схема связи кинематических пар с траекториями движения рабочих звеньев.

Роторно-лопастной двигатель состоит из корпуса 1, снабженного впускным 2 и выпускным 3 окнами. Внутри корпуса 1 соосно установлены два ротора 4, 5 с лопастями 6, 6' и 7, 7', образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры "а", "б", "в", "г".

Лопасти 6, 6'и 7, 7' посредством ползунов 8, 8' 8''и направляющих крейцкопфных пар 9, 9', 9'' связаны с рабочими шейками I₁, I₂, I₃ коленчатого вала 10, содержащего также две пары опорных шеек и две выходные шейки III, III'. В полости корпуса коленчатый вал 10 установлен эксцентрично относительно оси роторов в опорных узлах. Каждый опорный узел включает по две крейцкопфные пары, каждая из которых составлена из четырех взаимно-пересекающихся направляющих 11, 12, 13, 14 и 15, 16, 17, 18, на которых размещены ползуны 19, 20 и 21, 22, жестко охватывающие подшипники опорных шеек II₁ II₂ и .

Выходные шейки III, III' связаны с валами отбора мощности 23, 23', выполненными в виде поводковых механизмов, снабженных противовесами 24, 24'. Параллельно основному коленчатому валу 10 в корпусе 1 размещен дополнительный коленчатый вал 25, содержащий только рабочие шейки , подшипники которых жестко связаны с подшипниками аналогичных рабочих шеек I₁, I₂, I₃ основного вала через ползуны крейцкопфов 19, 20, 21, 22.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Предварительно подготовленная горючая смесь всасывается через впускное 2 окно в камеру "а" двигателя между лопастями 6 и 7, далее камера "а" отсекается от впускного окна лопастью 6 и перемещается по направлению к свече зажигания с одновременными уменьшением объема путем последовательного сближения лопастей 6 и 7, где лопасть 6 движется равноускоренно, а лопасть 7 равнозамедленно. При достижении свечи зажигания объем камеры становится минимальным, а скорости лопастей в этот момент выравниваются. После воспламенения горючей смеси давление в камере "а" резко увеличивается, газы начинают расширяться с одновременными увеличением объема камеры "а" путем движения лопасти 7 с ускорением, а лопасти 6 с торможением. Достигнув выпускного окна 3, камера "а" имеет максимальный объем, при этом лопасть 7 открывает окно 3 для выпуска отработанных газов, а далее лопасть 6 завершает выталкивание отработанных газов с одновременным уменьшением объема камеры "а" вновь до минимума и, соответственно, с выравниванием скоростей роторов. Проходя перемычку между выпускным и впускным окнами, камера вновь готова к принятию новой порции свежей горючей смеси. Цикл для камеры повторяется. А так как в двигателе расположены четыре камеры "а", "б", "в", "г", то для каждой из них описанный полный цикл происходит одновременно с камерой "а", с последовательным смещением через каждые 90^o по углу поворота выходного вала. Так для камеры "б" рабочий цикл осуществляется между лопастями 7 и 6', для камеры "в" рабочий цикл осуществляется между лопастями 6'и 7' и для камеры "г" рабочий цикл осуществляется между лопастями 7' и 6. В общем случае, каждому такту: всасыванию, сжатию, расширению и выпуску строго соответствует отведенное для них в корпусе места.2 В результате вращения роторов в одном направлении номинальные обороты двигателя могут быть установлены таким образом, чтобы действующие на лопатки роторов газовые силы и всегда действующие не в противофазе силы инерции от ускоренно-замедленно движущихся масс роторов совпадали по абсолютной величине, что в свою очередь в моменты зажигания рабочей смеси в очередной камере сгорания полностью разгрузит рабочие шейки вала от "ударного нагружения", а это позволяет подшипниковых узлам, от которых всецело зависит ресурс самого двигателя, быть работоспособными в течении 10000 ч и более.

Использование: изобретение относится к двигателестроению. Сущность изобретения: в корпусе четырехтактного роторно-лопастного двигателя размещен коленчатый вал, рабочие шейки которого посредством ползунов и направляющих в составе ротонов соединены с лопастями, а опорные шейки установлены также в ползунах, возвратно-поступательно перемещающихся в пересекающихся направляющих четырех крейцкопфов, образующих не менее двух опорных узлов. Эти опорные узлы обеспечивают коленчатому валу эксцентричную установку относительно оси роторов и возможность собственного вращения коленчатого вала с одновременным планетарным вращением относительно опорных узлов. Выходные шейки обеспечивают передачу крутящего момента валу отбора мощности посредством снабженных противовесами поводковых механизмов. Таким образом, коленчатый вал выполняет функции механизма связи лопастей, что позволяет перераспределить нагрузки, вызываемые действием газовых сил и сил инерции, по большим контактным поверхностям, охватывающим рабочие шейки подшипников. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Четырехтактный роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус с впускным и выпускным окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, вал отбора мощности, установленный соосно с роторами, и совмещенный с ним механизм связи лопастей, отличающийся тем, что последний выполнен в виде коленчатого вала, снабженного рабочими, опорными и выходными шейками и установленного эксцентрично относительно оси роторов в не менее чем двух опорных узлах, причем каждый опорный узел выполнен с возможностью придания опорным шейкам вала возвратно-поступательного движения, а в целом коленчатому валу планетарного вращения относительно опорных узлов (например, в виде крейцкопфных пар), при этом подшипники рабочих шеек связаны с лопастями роторов посредством кинематических пар, например, также крейцкопфов, а подшипники выходных шеек, снабженные противовесами, связаны с валом отбора мощности посредством, например, поводковых механизмов. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что параллельно коленчатому валу установлен дополнительный коленчатый вал в виде фрагмента основного вала, содержащий рабочие шейки, идентичные шейкам основного вала и охваченные подшипниками, кинематически связанными с аналогичными подшипниками основного вала.